天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 9: 1677 - 1691

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.03.006

非常规天然气

吐哈盆地侏罗系煤岩煤相分布及成烃潜力

  • 林潼 , 1 ,
  • 张华 2 ,
  • 刘俊田 2 ,
  • 李攀 1 ,
  • 杨润泽 1
展开
  • 1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 2. 中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009

林潼（1980-），男，福建福州人，博士，高级工程师，主要从事油气地质勘探研究. E-mail：.

收稿日期: 2025-01-20

  修回日期: 2025-03-14

  网络出版日期: 2025-03-26

基金资助

中国石油科技重大专项“深地煤岩气成藏理论与效益开发技术研究”(2023ZZ18-03)

中国石油青年科技专项(2024DQ03025)

收起

Jurassic coal facies distribution and hydrocarbon generation potential in Turpan-Hami Basin

  • Tong LIN , 1 ,
  • Hua ZHANG 2 ,
  • Juntian LIU 2 ,
  • Pan LI 1 ,
  • Runze YANG 1
Expand
  • 1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China
  • 2. Research Institute of Exploration and Development，Tuha Oilfield Company，PetroChina，Hami 839009，China

Received date: 2025-01-20

  Revised date: 2025-03-14

  Online published: 2025-03-26

Supported by

The PetroChina Science and Technology Major Project(2023ZZ18-03)

the PetroChina Youth Science and Technology Project(2024DQ03025)

Fold

摘要

随着深层煤岩气勘探在中国中西部地区取得重大突破，蕴藏着丰富煤炭资源的吐哈盆地开始受到重视，然而目前吐哈盆地深层煤岩气的基础研究工作十分欠缺，严重影响了盆地煤岩气的勘探与部署实施。通过对全盆地煤岩开展纵向展布和平面分布规律研究，并结合盆地内煤矿和井下煤岩样品的显微组分、微量元素分析与对比，结果显示：①吐哈盆地深层煤岩气勘探的主力层为西山窑组二段，特别是西二段底部稳定展布的厚煤层，聚煤中心位于台北凹陷的北部地区；②主力煤层显微组分中镜质组占主要部分，部分地区惰质组含量较高，通过显微组分的煤相判识，识别出西山窑组二段存在5种类型的煤相；③利用典型煤相的微量元素值分布范围，明确了不同煤相在聚煤时期的古环境特征，并通过不同敏感微量元素的分布区间值，建立了全盆地主力煤层的煤相分布图，其中吐鲁番坳陷主要发育开阔水域沼泽相和较深覆水森林沼泽相；④从古沉积环境和成煤植物方面对不同煤相中的煤岩开展成烃潜力分析，指出较深覆水森林沼泽相和开阔水域沼泽相煤岩具有好的生气潜量。研究成果为吐哈盆地煤岩气勘探的选层、选区和选带提供了有效的指导作用。

关键词： 吐哈盆地; 西山窑组; 煤岩煤相; 微量元素; 煤岩气

本文引用格式

林潼 , 张华 , 刘俊田 , 李攀 , 杨润泽 . 吐哈盆地侏罗系煤岩煤相分布及成烃潜力[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(9) : 1677 -1691 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.03.006

Abstract

With the great breakthrough of deep coal-rock gas exploration in central and western China， Turpan-Hami Basin， which is rich in coal resources， has been paid more and more attention. However， there is a lack of research on deep coal-rock gas in Turpan-Hami Basin， which seriously affects the exploration and implementation of coal-rock gas in the basin. Based on the distribution of coal-rock in the whole basin， combined with the analysis and comparison of maceral components and trace elements of coal-rock samples in the basin， the results show that： （1） The main layer of deep coal-rock gas exploration in the Turpan-Hami Basin is the second member of the Xishanyao Formation， especially the thick coal seam at the bottom of the second member， and the coal accumulation center is located in the northern part of the Taibei Depression. （2） Vitrinite is the main component of the maceral of the main coal seam， and the content of inertinite is high in some areas. Through the identification of the maceral facies， five types of coal facies are identified in the second member of Xishanyao Formation. （3） Based on the distribution range of trace element values of typical coal facies， the paleoenvironmental characteristics of different coal facies during the coal accumulation period are defined， and the coal facies distribution map of the main coal seam in the whole basin is established based on the distribution interval values of different sensitive trace elements. In Turpan Depression， the open water swamp phase and deep water forest swamp phase are mainly developed. （4） From the perspective of paleosedimentary environment and coal-forming plants， the hydrocarbon generation of coal rocks in different coal facies is analyzed， and it is pointed out that the coal-rocks in deep forest swamp facies and open water swamp facies have good gas potential. The research results provide effective guidance for the exploration target layer and selection zone of coal-rock gas in the Turpan-Hami Basin.

Key words： Tuha Basin; Xishanyao Formation; Coal-rock facies; Trace elements; Coal-rock gas

0 引言

吐哈盆地以其丰富的煤矿资源、特殊的煤系油气田而闻名遐迩，是中国十分重要的煤炭生产基地和油气开采盆地，同时也是中国煤成烃理论的发源地和勘探实践地［1］。盆地内煤炭预测资源量为5 708×108 t，占全国的12.5%和新疆的31.7%，从20世纪80年代至今，盆地内勘探发现了大量与煤系烃源岩密切相关的油气田［2-3］。目前在侏罗系水西沟群煤系地层中探明石油地质储量2.77×108 t，天然气1 185×108 m3［4］，展示出煤系地层油气资源的巨大潜力。近年来，随着我国对天然气需求的不断提升，深层煤岩储层中的天然气逐渐受到重视，特别是那些浅层煤层气富集的盆地，勘探已经开始由浅部煤层向深部煤层探索，并取得了一系列重大发现。例如，在准噶尔盆地白家海凸起带，中国石油新疆油田分公司部署的彩探1H井在侏罗系西山窑组煤层中获得最高日产5.7×104 m3的天然气，实现了深层煤岩储层中天然气勘探的新突破［5-6］；在鄂尔多斯盆地东部上石炭统本溪组，中国石油长庆油田分公司实施的风险探井NL1H井在深度3 246 m处的8#煤层中获得日产5×104 m3的高产天然气，取得了盆地内深层煤岩气勘探的战略性突破［7］。截至2023年底，中国石油在鄂尔多斯盆地大吉煤岩气先导试验区建成了我国首个煤岩气田，年产量超10×108 m3［8］。
吐哈盆地侏罗系具有煤层分布广、纵向上层数多、单层厚度大的特点［9］。在台北凹陷及其周缘，西山窑组下段单煤层厚度最大可达42 m。2004年开始，在盆地南部的艾丁湖煤矿、沙尔湖煤矿、大南湖煤矿开展过大量的浅层煤层气勘探［10-12］，但深层从未涉足。2013年，台北凹陷北缘柯柯亚构造带核5井在西山窑组煤层（埋深大于1 500 m）获日产700 m3天然气，但当时并未受到重视。随着鄂尔多斯盆地和准东地区深层煤岩气的勘探相继获得发现，蕴藏丰富煤炭资源的吐哈盆地深层煤岩气开始受到重视。2022年，中国石油吐哈油田分公司在柯柯亚构造带针对西山窑组下段煤层部署了柯新1H井，受地质认识和工程因素的影响，该井虽未获得煤岩气勘探的突破，但部分取心段煤岩含气量达到15 m3/t，展示出了盆地深层煤岩高富气的特点。由于吐哈盆地深层煤岩气地质特征与鄂尔多斯盆地有着显著差别，前人针对鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系中高阶煤岩天然气的富集规律认识及勘探经验，并不完全适用于以中低阶煤岩著称的吐哈盆地侏罗系煤岩。同时，由于吐哈盆地深层煤岩气勘探程度低，针对侏罗系煤层的取心资料少，因而，对深层煤岩气的富集规律认识仍十分不足［9， 13］。目前，盆地煤岩气勘探的首要问题是落实煤层的展布，特别是主力煤层的空间展布，明确煤岩煤相的分布规律为后续深入研究中低阶煤岩的生气潜力与富集规律夯实基础。本文基于吐哈盆地丰富的煤炭资源，系统采集了盆地内煤矿样品和煤岩取心井岩心，从煤的显微组分和成煤环境开展主力煤层的煤相特征与分布规律研究，明确不同煤相的成烃潜力，为吐哈盆地下步煤岩气富集规律的深入认识和勘探部署提供有益指导。

1 地质背景

吐哈盆地处于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大板块的汇聚部位，经历了石炭纪到早二叠世的裂谷阶段、中二叠世到早三叠世的断陷—断坳转化阶段，以及中三叠世至今的类前陆阶段［14］。在早三叠世之前，吐哈盆地一直处于板块陆缘的构造环境，到晚三叠世末—侏罗纪，开始进入类前陆坳陷时期，并形成了现今的盆地构造格局。盆地呈东西向狭长展布，自西向东划分为吐鲁番坳陷、艾丁湖斜坡、了墩隆起以及哈密坳陷，4个一级构造单元（图1）。已发现的油气田几乎全部位于吐鲁番坳陷内，而煤田（矿）在盆地的不同构造单元内均有发现。
图1 吐哈盆地构造单元划分及油气田与煤田（矿）的分布

Fig.1 Division of structural units and distribution of oil-gas fields and coal fields （ores） in Turpan-Hami Basin

吐哈盆地侏罗系是典型的含煤岩系地层，发育河湖相碎屑岩沉积和湖沼、河沼相煤系建造地层。侏罗系是盆地内发育最全、分布最广、厚度最大的层系，也是盆地内最为重要的烃源岩层和煤层发育层系［15-16］。水西沟群位于中侏罗统下部至下侏罗统，自下而上划分出八道湾组（J1 b）、三工河组（J1 s）和西山窑组（J2 x）（图2）。下侏罗统八道湾组是以河流相、三角洲相和沼泽相为主的下粗上细含煤碎屑岩地层。底部为退积特征，上部表现为进积特征，由冲积扇、扇三角洲体系域过渡到滨浅湖、三角洲体系。下部发育深灰色砾状砂岩、细砾岩、灰绿色中砂岩和粉砂岩；上部为含煤岩系，含较多植物化石与双壳类、叶肢介化石。柯柯亚和艾丁湖（图1）地区开采的煤炭即位于八道湾组煤层中。三工河组沉积时期，盆地整体开始持续沉降、水体加深，底部主要发育辫状河道相砂岩夹少量泥岩，向上过渡到三角洲相和湖相沉积的粉细砂岩和泥岩。西山窑组是以河流相、三角洲相、湖泊相和沼泽相为主的含煤碎屑岩建造层，岩性以暗色泥岩和煤为主，是水西沟群的第二套煤系烃源岩，也是盆地内煤矿开采的主力层系。其中西山窑组又可划分出4个层段，西一段主体为上平原相，辫状河道砂较发育，岩性较粗，主要为含砾粗砂岩；西二段为湖侵阶段，从西一段的辫状河道相逐渐过渡到三角洲相、湖沼相，其中三角洲下平原相是煤岩发育的主要相带，大套煤层广泛发育于泛滥平原内；西三段主体以三角洲前缘相和分流河道相为主，煤层较薄；西四段以滨浅湖退积沉积为主，底部发育少量的河流粗碎屑沉积相，岩性整体呈“泥包砂”的特征，煤层基本不发育。
图2 吐哈盆地侏罗系水西沟群地层划分与岩性特征

Fig. 2 Stratigraphic division and lithology characteristics of Jurassic Shuixigou Group in Turpan-Hami Basin

2 煤层的展布

水西沟群的沉积经历了沼泽化—湖化—沼泽化—湖化4个演化阶段［17-18］。其中，八道湾组沉积期和西山窑组沉积早—中期，2次初始水进沼泽化是水西沟群煤岩堆积的主要时期；而三工河组二段和西山窑组四段沉积时期的2次湖侵—高位体系域，则形成了湖相烃源岩。西山窑组煤层厚度和层数的发育受水体深度和周期性水进水退频次的影响。在盆地北部的吐鲁番坳陷，水体由西一段到西二段沉积期开始突然变深，西一段岩性整体为一套分布稳定的含砾粗砂岩，到西二段沉积时，岩性明显变细，以细砂岩和粉细砂岩为主，反映出区域内发生了明显的水进。该时期，盆地总体以浅水覆盖下的三角洲下平原相为主，在泛滥平原相内，相对较固定的分流河道之间堆积较厚煤层，但煤层横向展布较差，泥炭多堆积于相对较独立的低洼区；到西三段沉积时期水体深度不断加大，多数地区被较深水覆盖，此时三角洲前缘相十分发育，泥岩含量增多，砂体相对不发育，煤层厚度开始变薄、层数变少。
西山窑组煤层主要发育于西二段（J2 x 2）和西三段（J2 x 3），其中西二段单煤层厚度大、煤层层数多；西三段单煤层厚度薄、层数少（图3）。在西山窑组沉积时低洼区，西二段形成的单煤层厚度大，最大厚度分布在现今盆地的北部，在吉7井区厚度为27 m，由低洼区向两侧煤层厚度明显减薄［图（3），图4（a）］。总体上西二段相比西三段［图4（b）］，煤层累积厚度大，最厚地区位于台北凹陷北部的柯柯亚（柯19井）、照壁山（照4井）和红台（红探2井）地区，累积厚度超过120 m。此外，在吐鲁番坳陷西部的托克逊地区西二段也发育较厚煤层，托1井发育2套单层厚度分别为16 m和21 m的巨厚煤层。西三段煤层厚度发育中心与西二段相似，但最大累积厚度不超过40 m［图4（b）］，且单煤层厚度多小于5 m，不论在纵向上还是平面上，煤层的规模都小于西二段。因此，吐哈盆地深层煤岩气勘探目的层主体以西二段为主，其中，又以西二段底部分布较稳定、厚度较大的单煤层为主力勘探层段。
图3 吐哈盆地西山窑组西二段、西三段煤层纵向连井分布（剖面位置见图4）

Fig.3 Longitudinal distribution of coal seam connecting wells in the 2nd and 3rd members of Xishanyao Formation， Turpan-Hami Basin （see Fig. 4 for location）

图4 吐哈盆地西山窑组煤岩累积厚度分布特征

Fig.4 Coal thickness distribution of Xishanyao Formation in Turpan-Hami Basin

西山窑组沉积期间，受了墩隆起的分割，盆地东部的哈密坳陷水体发育程度以及古气候特征与西部的吐鲁番坳陷有着较大的差异。西部地区气候温暖、潮湿，水体分布广泛［19］，南北物源双向供给；东部地区偏干燥，水体浅，仅发育南部物源的扇三角洲上平原相［17］，煤层厚度较薄。盆地东南部地区是吐哈盆地重要的煤炭生产区，前人对该区的煤岩煤质开展过详细的研究［20-22］，但对成煤环境以及含煤层的层序划分方面研究较少。受钻井资料的限制，本文研究并未对该区含煤层开展层序划分工作，因此，将该区煤层统称为西山窑组煤层。该区发育沙尔湖煤田和大南湖煤田［图4（a）］，分别位于了墩隆起上呈近东西走向的沙尔湖凹陷和大南湖凹陷内。沙尔湖凹陷西山窑组沉积早期，发育扇三角洲相及前缘相，西山窑组沉积中期，转化为冲积扇或扇前洪泛洼地、湿地［21］，利于泥炭沼泽的持续发育，堆积了巨厚煤层。煤层位于近东西走向的宽缓向斜上，厚度由北向南逐渐变小，北部地区煤层厚度超200 m，单层厚度最大可达144 m［23］，由于煤层埋藏较浅（200~1 000 m），该区不仅是吐哈盆地重要的煤炭生产基地，也是盆地浅层煤层气勘探的主要地区。大南湖洼陷侏罗系西山窑组发育曲流河—三角洲体系［20］，根据岩性特征含煤地层可划分为上、中、下3段，其中，中段为区域内主要含煤段，煤层总厚度为36.47~143.39 m［24］。
八道湾组虽然是吐哈盆地十分重要的煤层发育层段，在东湖1井八道湾组单煤层厚25 m，在艾维尔沟、艾丁湖和柯柯亚地区的露天煤矿，八道湾组煤层是开采的目的层，但是相较于西山窑组，八道湾组煤层埋藏较深，普遍比西二段煤层埋深大200~500 m，并且煤层的横向分布不稳定。因此，针对该套煤层的煤岩气勘探仍处于摸索阶段。

3 煤岩显微组分特征

由于煤层厚度分布不均，并且煤层在纵向上显微组分存在变化，横向对比难度大。本文研究为了方便对比，在野外煤矿采样时以西山窑组下段厚煤层的中间段为重点采样点，井下样品则全部采集西二段煤岩。同时，在参考前人资料时选取煤层厚度的中间段与本文样品进行对比，使之尽量在相近的沉积期间，对盆地内不同地区的煤岩显微组分进行对比。本文煤岩显微组分分类标准依据《烟煤显微组分分类》（GB/T 15588—2013）和“ICCPsystem 1994”［25］，测试结果见表1。
表1 吐哈盆地不同地区煤岩特征参数对比

Table 1 Comparison of coal characteristic parameters in different areas of Turpan-Hami Basin

煤矿区/井号 艾丁湖 沙尔湖 大南湖 三道岭 柯柯亚 七克台 七泉湖 柯新1井 东深1井 吉7井
煤层 八道湾组 西山窑组下段 25#西山窑组下段 4#西山窑组厚煤层 八道湾组 西山窑组 西山窑组 西山窑组下段 西山窑组下段 西山窑组下段
R O/% 0.21~0.51 0.33 0.36 0.5~0.75 0.54 0.64 0.66 0.85 0.78 0.97

煤岩组分

/%

 宏观煤岩类型 暗淡煤为主半暗煤次之 半暗煤为主半亮煤次之 暗淡煤、半暗煤为主 暗淡煤、半暗煤为主 暗淡煤为主半暗煤次之 暗淡煤为主半暗煤次之 暗淡煤为主半暗煤次之 半亮煤为主 半暗煤为主 半亮煤、半暗煤为主
镜质组

分布

区间

 72.6~95.8* 6.1~65.6* 10.1~32.1* 71.12~89.57 26.2~79.4
平均值 85.96 70.7 30.1 19.7 54.8 58 58 78.73 44.96 91.62
惰质组

分布

区间

 3.1~28.5* 32.3~91.3* 47.1~88.6* 3.96~25.57 3.8~36.96
平均值 11.95 27.2 64.7 76.1 45 39 39 10.38 17.6 0.77
壳质组

分布

区间

 1.2~7.9* 0.4~5.6* 0.5~9.4* 0~10.98 0.4~9.8
平均值 2.3 0.6 2.4 3.3 0.2 3 3 1.7 2.9 5.64

工业分析

/%

 灰分（Ad）

分布

区间

 4~41.16* 4.1~27.59 5.88~40.47* 1.24~24.1* 0.72~13.32
平均值 10.83 10.22 9.36 6.82 10.13 5.27 5.27 5.24 23.71
挥发分（Vdaf）

分布

区间

 39.1~68.12* 35.54~46.86 32.08~47.08* 23.65~46.93* 30.67~38.57
平均值 49 42.39 37.5 30.13 37.5 33.3 33.3 33.37 31.05
固定碳（FCad） 平均值 38.88 46.8 52.55 62.81 42.15 57.54 57.54 60.3 45.24
硫分

分布

区间

 0.08~7.13* 0.12~2.76 0.07~1.78* 0.04~0.86*
平均值 1.29 0.59 0.59 0.24
典型煤相 TPI 5.12 较深覆水森林沼泽 4.34 潮湿森林沼泽 >1 较干燥—干燥森林沼泽 >1 干燥森林沼泽 0.50 开阔水域沼泽 0.56 开阔水域沼泽 0.55 开阔水域沼泽 <1 开阔水域沼泽 <1 开阔水域沼泽 2.70 较深覆水森林沼泽
GI 81.50 1.90 <1 <1 1.36 1.66 1.70 >10 1~10 485.00
VI 3.59 4.29 >1 >1 0.43 0.36 0.36 <1 <1 0.40
GWI 0.24 0.42 <0.5 <0.1 >5 >5 >5 >1 >50 2.09

注：*数据来源于参考文献［24，26］

前人研究认为吐哈盆地中侏罗统西山窑组煤岩中惰质组含量高，占比在40%~60%之间［13，26］。本文研究结果显示，不同地区煤岩组分差异较大，但是主力煤层显微组分总体以镜质组为主（表1，图5），特别是井下煤层中镜质组含量明显高于露头煤矿区。其中吉7井煤岩中镜质组含量最高，为91.62%，平均惰质组含量仅为0.77%；柯新1井镜质组含量平均为78.73%，惰质组含量平均为10.38%；东深1井镜质组含量占比为44.96%，惰质组含量为17.6%，壳质组平均含量为2.9%，黏土类含量较高，平均为42.1%。大南湖和三道岭煤矿的镜质组含量都明显小于其他煤矿，平均值分别为30.1%和19.7%，惰质组含量平均分别达64.7%和76.1%，为典型的富惰质组煤［27］。八道湾组煤层样品点少，但从现有的数据可以看出，盆地南部的艾丁湖煤矿和盆地北部的柯柯亚煤矿镜质组含量差异较大，盆地南部地区较高，平均值为85.96%，而盆地北部地区平均值为54.8%，显示出八道湾组聚煤时期盆地南北沉积环境的差异。
图5 吐哈盆地西山窑组西二段主力煤层煤岩组分显微特征

（a）吉7井，J2 x， 5 107.25~5 108.89 m，岩心煤岩中均质镜质体显微组分；（b）位置同（a），岩心煤岩中镜质组类型；（c）东深1井，J2 x，3 875.65 m，岩心煤岩中镜质组、壳质组和惰质组类型；（d）位置同（c），岩心煤岩中壳质组类型；（e）柯新1井， J2 x， 3 335.61~3 335.74 m，岩心煤岩中镜质组、壳质组和惰质组类型；（f） 位置同（e）， 岩心煤岩中镜质组、壳质组和惰质组类型；（g）三道岭煤矿，J2 x，，煤岩显微组分中的半丝质体；（h）位置同（g），煤岩显微组分中的均质镜质体；（i）七泉湖煤矿，J2 x，煤岩显微组分中半丝质体；（j）位置同（i），煤岩显微组分中惰质组、镜质组和壳质组；（k）沙尔湖煤矿，J2 x，，煤岩显微组分中半丝质体；（l）位置同（k），煤岩显微组分中的均质镜质体；（m）七克台煤矿，J2 x，煤岩显微组分中的粗粒体和半丝质体；（n）位置同（m），J2 x，煤岩显微组分中半丝质体和碳酸盐类；（o）柯柯亚，J1 b，煤岩显微组分中的半丝质体；（p）位置同（o），煤岩显微组分中惰质组和镜质组。注：镜质组：T1结构镜质体1，T2结构镜质体2，TC均质镜质体，DC基质镜质体，CC团块镜质体，GC胶质镜质体，VD碎屑镜质体；惰质组：PF火焚丝质体，OF氧化丝质体，Sf半丝质体，Fu真菌体，Se分泌体，Ma粗粒体，Mi微粒体，ID碎屑惰质体；壳质组：MaS大孢子体，MiS小孢子体，Cu角质体，Re树脂体，Sub木栓质体，Ba树皮体，Bt沥青质体，Ex渗出沥青体，Fl荧光体，TA结构藻类体，LA层状藻类体， LD碎屑壳质体；无机矿物：CM黏土类，SM硫化物类，CaM碳酸盐类，SiM氧化硅类，OM其他矿物类

Fig.5 Microscopic characteristics of coal components in the 2th Member of Xishanyao Formation in Turpan-Hami Basin

吉7井镜质体以均质镜质体［图5（a）］、结构镜质体和基质镜质体［图5（b）］为主，占总镜质体的97.4%，其次是少量的胶质镜质体和碎屑镜质体；惰质体中主要为半丝质体和粗粒体；可见少量的树脂体和角质体等壳质体。东深1井基质镜质体占绝大多数，其次是均质镜质体，惰质组含量较少，主要为半丝质体［图5（c）］，壳质体中主体为小孢子体和角质体，少量的木栓质体［图5（d）］。柯新1井镜质组成与东深1井相似，但惰质体中除了半丝质体［图5（e）］发育外，微粒体［图5（f）］和碎屑惰质体含量占惰质体的主体，壳质体含量少，但可见小孢子体。野外煤岩中基质镜质体在镜质体中占比都超80%以上，惰质体中半丝质体［图5（g），图5（i），图5（k）—图5（o）］占比在67%~70%之间，其次是氧化丝质体［图5（j）］占24%左右，小孢子体［图5（j）］和角质体是壳质组的主要组成部分。

4 煤岩形成的古环境与煤相

4.1　聚煤时期古环境特征

本研究利用煤系地层中煤岩或者紧邻煤层细粒样品的微量元素，开展聚煤环境的氧化还原、古盐度、古气候分析和古水深研究，为识别煤层的聚煤环境提供依据。总共开展了31口井下煤岩样品和7个煤矿样品的微量元素分析，具体位置见图6。
图6 吐哈盆地主力煤层微量元素（组合）值平面分布特征

（a）反映氧化还原环境的V/(V+Ni)值分布等值线图；（b）反映古盐度环境的Sr/Ba值分布等值线图；

（c）反映古气候环境的Sr/Cu值分布等值线图；（d）反映古水深的Mg丰度等值线分布图

Fig.6 Plane distribution of trace elements (combinations) in main coal seams of Turpan-Hami Basin

V、Ni、Cr和Co元素由于在氧化状态下容易发生迁移，而在还原状态下容易发生沉淀，因此这些元素（或者元素的比值）能够被用于恢复或者指示沉积环境。学者们常采用V/（V+Ni）、V/Cr和Ni/Co等元素组合来判别古氧化还原环境［28-30］。其中，V/（V+Ni）值法应用广泛，当V/（V+Ni）值小于0.6时，表明该区域处于氧化环境；而当比值大于0.77时，则通常意味着该区域处于还原环境。本文研究的V/（V+Ni）值显示，西山窑组聚集时期氧化环境的地区主要位于哈密坳陷，在吐鲁番坳陷内仅分布于丘东与小草湖洼陷相连的低突部位以及台北坳陷北缘的西段［图6（a）］。与图4（a）吐哈盆地J2 x 2段煤层累积厚度分布图相比，两者之间具有较好的关联性，体现为图6（a）中处于还原环境的绿色地区与图4（a）中煤岩厚度中心区吻合性较高，说明还原环境对厚煤层的形成具有一定的控制作用。
Sr/Ba元素比值对判识沉积环境的古盐度比较敏感，前人的研究表明，当Sr/Ba值大于1时，表明该区为咸水环境；当Sr/Ba值小于0.6时，意味着淡水环境；当Sr/Ba值介于0.6~1时为微咸水环境［31-32］。通过Sr/Ba值分布［图6（b）］，可以看出吐哈盆地南部艾丁湖斜坡和东部的哈密坳陷水体盐度相对偏高。此外，柯柯亚及其以东地区盐度也比较高，与图6（a）的氧化环境区有一定的相似。
在干旱炎热环境下沉积物中 Sr的丰度会增大，在湿润温暖环境下Sr又会因为溶解而造成丰度的降低，因而Sr/Cu值常被应用于分析古气候环境［33-34］。前人的研究显示，Sr/Cu 值为1~10时，代表该地区为温湿气候；Sr/Cu 值大于10 时，指示该区为干热气候［33］。吐哈盆地的Sr/Cu值分布特征显示，盆地南部艾丁湖斜坡区和了墩隆起带古气候偏干旱；吐鲁番坳陷古环境整体偏向潮湿气候；盆地东部的哈密坳陷气候整体偏向干燥［图6（c）］。
古水深的判识方法较多，有岩性组合法、古生物法以及沉积构造特征判识法，而元素分析方法则更常用［28］，比如元素铷，其化学性质活泼易于迁移，在低能量环境的细粒岩中比较常见，可用铷元素丰度判断古水深的变化。赵振宇等［19］通过对吐哈盆地水西沟群微量元素平面分布与烃源岩厚度分布的对比，发现Mg元素对反映区域水体深度具有较好的负相关性，通过Mg元素含量的平面分布规律可以反映出水体的变化规律。本研究选取Mg元素作为反映煤层形成时古水深的判识参数。Mg元素丰度分布图［图6（d）］显示，哈密坳陷和了墩隆起聚煤时期的古水体深度相对西部地区偏浅，吐鲁番坳陷水体整体偏深。Mg元素丰度值在一定程度上反映了聚煤时流体的水动力条件，对判识煤岩组分和成煤植物有参考和借鉴作用。

4.2　煤岩煤相特征

国内外学者通过对煤中有机显微组分、矿物组成、成煤植物、围岩沉积岩石学特征等深入研究，建立了不同的煤相参数［35-37］，例如，DIESSEL［36］提出的凝胶化指数（GI）和植物保存指数（TPI）；CALDER等［37］提出的地下水流动指数（GWI）和植被指数（VI）。这些参数在多个区域的煤相判识及煤质研究中得到了广泛应用。研究显示，煤质与煤相有着密切关系，煤的化学特征、显微组分类型等受煤相的影响［21，38-39］。例如，前人对吐哈盆地沙尔湖煤田的研究表明，该区煤层的化学特征为特低灰分到中灰分（表1）、特低硫—中等硫，煤灰成分主要为硅质。灰分含量受碎屑物质来源的影响，当水体较浅、水动力条件较弱时，沉积环境处于平原相的泥炭沼泽亚相，外源碎屑物质供给不足，造成了灰岩组分偏低的特点［21］。
通过对多个地区煤相演化规律的分析，学者们对不同环境下的成煤机制有了更深刻的认识，并研究了成煤环境对煤储层物性的影响［40］。凝胶化指数（GI）和植物保存指数（TPI）对煤质有着显著的影响。凝胶化指数（GI）是镜质组和惰性组显微组分与未经历凝胶化的显微组分的比值，它指示了泥炭形成早期的水位变化特征和植物遗体后期遭受凝胶化作用的程度，GI值高表明水位相对较高［41］，GI值低表明水位相对较低。植物组织保存指数（TPI）是指镜质组和惰质组中有结构的显微组分与无结构的显微组分相比，该指数反映植物组织的破坏程度以及木本植物在成煤植物中的比例。TPI值高，说明成煤植物中木本植物相较草本植物占比更多，也反映了木质组织在泥炭沼泽环境中的保存程度较好。同时，TPI还在一定程度上反映成煤环境的pH值，因为环境为低pH值时，微生物的活动性较弱，植物组织保存的更完好。总体来看，GI和TPI通过反映成煤时期的古环境条件，直接影响了煤的化学组成、结构和物理性质。从盆地煤岩的煤相判识［图7（a）］，可以看出吐哈盆地西二段主力煤层的煤岩煤相主要为开阔水域沼泽和干燥—潮湿的森林沼泽相。井下煤岩样品与野外煤矿样品存在较显著的差别。井下连续取心的煤岩样品几乎都位于开阔水域沼泽相，仅吉7井的一个样品显示为较深覆水森林沼泽相，而野外煤矿样品的分布范围较广，但仍主要集中位于TPI>1的区间内。三道岭地区的煤岩绝大多数都落在干燥森林沼泽相，与上文通过微量元素所判识出来三道岭地区为干旱环境相吻合，仅少部分显示为开阔水体沼泽相。大南湖地区煤岩煤相反映出聚煤时期煤相的演变，从煤层的底部到顶部具有从干旱环境逐渐演化为较干旱—潮湿—开阔水域的特征，聚煤的主体期以干旱环境为主。沙尔湖地区相对盆地东部的三道岭和大南湖地区聚煤环境偏向潮湿环境，主要为潮湿森林沼泽相，这点与微量元素所反映出的特征相似［图6（d）］。艾丁湖地区由于样品数据点少，仅有一个数据点，显示为较深覆水森林沼泽相，与吉7井位于相同的煤相区，说明在了墩隆起的西部地区可能整体环境较湿润，水域覆盖面积广。
图7 吐哈盆地煤岩煤相划分与判识

（a）煤相TPI-GI判识图（据参考文献［21］改）； （b）煤相VI-GWI判识图（据参考文献［24］改）

Fig.7 Coal facies division and identification map in Turpan-Hami Basin

地下水流动指数（GWI）常用于反映沼泽覆水程度以及地下水对泥炭沼泽的影响程度、矿物含量及水位变化。较高的GWI值通常代表着煤显微组分发生更强的降解作用和矿物输入。植被指数（VI）是保留细胞结构的组分与基质、碎屑物质和粒状组分的比值，主要反映成煤植被类型及其保存程度，高VI值表示成煤植物以木本植物为主，低VI值则与草本植物密切相关［34］。煤相判识图（GWI—VI）是一种用于分析成煤环境和成煤植物类型的方法，通过GWI—VI煤相图，可以推断出吐哈盆地不同位置煤层形成的水体环境存较大差异，比如东深1井、柯新1井、吉7井的西山窑组和柯柯亚地区的八道湾组煤层形成时期水位较高，而大南湖和三道岭地区的水位偏低，沙尔湖水位介于两者之间［图6（d），图7（b）］；VI指数反映出东深1、柯新1、吉7等井煤层植物为草本植物，大南湖、三道岭和沙尔湖煤层更偏向木本植物。
这种观点与前人对吐哈盆地侏罗纪成煤植物研究所得出的认识高度一致。王士俊等［42］运用煤中植物残体分析方法对吐哈盆地侏罗系西山窑组不同煤矿的煤岩开展成煤植物的恢复，发现大南湖和三道岭地区煤层中的植物主要以松柏类植物为主，而吐哈盆地其他地区煤层中以银杏类和蕨类植物为主，其次是苏铁类和真蕨类。

4.3　煤相的分布

通过对盆地内煤相特征的判识，结合敏感微量元素所反映的聚煤期的古氧化还原、古盐度、古气候和古水深信息，根据确定了的煤相中的煤岩微量元素及其组合数据，建立吐哈盆地西山窑组主力煤层在不同煤相中的微量元素（组合）的分布区间值［表（2）］，并通过对这4种元素（组合）值的归一化处理以及赋予不同的权重系数，编制出了全盆地的煤岩分布图（图8），可以看出吐鲁番坳陷整体以开阔水域沼泽相和较深覆水森林沼泽相为主。了墩隆起及其以东为陆相的干燥森林相和干燥—较干燥森林沼泽相，了墩隆起西部地区主要为潮湿森林沼泽相。
图8 吐哈盆地西山窑组主力煤层的煤相分布

Fig.8 Coal phase distribution of main coal seam of Xishanyao Formation in Turpan-Hami Basin

表2 典型煤相所对应井或剖面的微量元素分布区间

Table 2 Distribution intervals of trace elements in typical coal facies corresponding to wells or sections

煤相 典型井和剖面 氧化还原 盐度 古气候 古水深
V/（V+Ni） Sr/Ba Sr/Cu Mg/（mg/kg）
开阔水域沼泽 东深1井、七泉湖煤矿 >0.8 <0.6 <8 <5 000
较深覆水森林沼泽 吉7、吉101 >0.75 <0.6 <8 <5 000
潮湿森林沼泽 沙尔湖、 0.6~0.75 <0.6 <8 <6 000
干燥—较干燥森林沼泽 大南湖 0.4~0.6 0.6-1 8~10 5 000~6 000
干燥森林相 三道岭煤矿 <0.4 >1 >10 >6 000

5 不同煤相中煤岩的成烃潜力

受聚煤时期水动力作用、氧化还原性和成煤植物类型的影响，不同沉积环境下形成的煤层在厚度、煤质、成烃潜力方面存在差异。陆相沉积体系中，湖侵的初期和末期可容空间增加速率与泥炭聚集速率平衡，有利于形成厚且孤立的煤层，而湖侵的中期容易形成较连续的薄煤层［43-44］。木本植物的木质纤维在成煤过程中更容易转化为高热值的煤质，因此以木本植物为主的煤层煤质较好，具有较高的热值和较低的硫分；而以草本植物为主的煤层在成煤过程中容易与硫化物结合，导致煤层中硫含量偏高，降低了煤岩的品质。较高水动力条件下的煤层通常具有较高的灰分含量，这是因为强水动力情况下更多的矿物质被带入泥炭沉积中，增加了煤层的灰分。前人在对鄂尔多斯盆地8#煤研究过程中发现，灰分与煤岩含气量呈负相关性［6］，灰分含量的增加降低了煤成烃的潜力。因而，煤岩成烃的差异与煤相所反映的沉积环境、成煤物质有着重要关系［39］，通过不同煤相生烃潜力的地球化学评价，能够为预测盆地煤岩气的富集带提供有益的指导。
以三道岭煤矿为代表的西山窑组煤层形成于辫状河或辫状河三角洲相带，煤相为典型的干燥森林沼泽相（表3）。成煤植物主要为松柏类，其次是银杏类和苏铁类［42， 45］，由于辫状河三角洲相的成煤环境常暴露于潜水面之上，在泥炭化过程中植被多处于氧化环境中，植物残体更容易发生氧化而导致惰质组的形成，因此该煤相中煤的惰质组含量偏高，富氢组分含量偏低，生烃潜力（S 1+S 2）较小。本文测试的数据S 1+S 2值分布在60~80 mg/g之间，有效碳含量为5%~6%，氢指数分布在100~120 mg/g之间，煤岩的生气潜量差。大南湖地区的煤相主要为干燥—较干燥森林沼泽相，形成于辫状河三角洲平原扇前洪泛洼地，发育松柏类植物，成煤环境与三道岭地区相近，泥炭聚集时期多数位于潜水面以上的氧化环境中，煤岩组分中以惰质组为主。相较于三道岭，该区镜质组含量有所增加，生烃潜力（S 1+S 2）与前者相近，富氢组分略有增加，煤岩生气潜量一般。沙尔湖地区泥炭聚集环境为潮湿森林沼泽相，主要形成于上三角洲平原沼泽相，由于上三角洲平原沼泽相水进水退交替频繁，因此泥炭多堆积于潜水面附近，整体呈弱氧化环境，煤组分中镜质体含量较高，但是以结构镜质体为主，成烃潜力较差［39］，同时潜水面附近较高的沉积速率不利于煤岩中对生烃潜力有着重要影响的壳质组保存［46］，沙尔湖地区壳质组含量仅为0.6%，明显低于其他地区。吉7井区西山窑组、艾丁湖煤矿的八道湾组均为较深覆水森林沼泽相，成煤植物为银杏类、裸子植物，泥炭聚集于潜水面以下的下三角洲平原间湾相，呈弱氧化—还原环境，厌氧细菌繁育，因而所形成的煤中氢含量较高［47］。生烃潜力（S 1+S 2）在80~200 mg/g之间，有效碳含量在6%~18%之间，氢指数在120~380 mg/g之间，煤岩生气潜力好。开阔水域沼泽相在吐哈盆地的西山窑组分布较广泛，盆地北部的七泉湖煤矿、柯新1井，中部的七克台煤矿和东深1井以及柯柯亚地区的八道湾组，均以开阔水域沼泽相为主。成煤环境为水下三角洲相和浅湖相，泥炭堆积于潜水面以下，为弱还原—还原的环境，厌氧细菌极其繁盛，泥炭沼泽表层菌解作用强烈，因而形成高含量的具荧光的基质镜质体，利于成烃［48］，生烃潜力（S 1+S 2）在120~300 mg/g之间，有效碳含量在8%~25%，氢指数在150~400 mg/g之间，煤岩生气潜量好。
表3 吐哈盆地典型煤相的成煤环境特征与煤的成烃潜力

Table 3 Coal forming environment characteristics and hydrocarbon forming potential of typical coal facies in Turpan-Hami Basin

典型煤相 干燥森林沼泽 干燥—较干燥森林沼泽 潮湿森林沼泽 较深覆水森林沼泽 开阔水域沼泽
煤矿或井号 三道岭煤矿 大南湖煤矿 沙尔湖煤矿 吉7井

艾丁湖

煤矿

 七克台煤矿 七泉湖煤矿 柯新1井

东深

1井

柯柯亚

煤矿

煤层 西山窑组下段 八道湾组 西山窑组下段 八道湾组
植物类型 木本类为主 木本类为主 木本类和草本类 木本类和草本类 草本类为主 木本类为主
松柏类为主，银杏类和苏铁类次之 松柏类 松柏类和蕨类植物 银杏类和蕨类植物 蕨类植物和裸子植物 银杏类、松柏类
氧化还原性 氧化 弱氧化 弱氧化—还原 弱还原—还原
水动力条件 潜水面以上 潜水面附近 潜水面以下
沉积相带 辫状河 辫状河三角洲 上三角洲平原沼泽相 下三角洲平原间湾相 水下三角洲或浅湖相
生烃潜力（S 1+S 2）/（mg/g） 60~80 50~80 40~60 80~200 120~300
有效碳（PC）/% 5~6 4~6 3~5 6~18 8~25
氢指数（I H）/（mg/g ） 100~120 80~120 70~100 120~380 150~400
煤岩生气潜量 差 一般 差 好 好

6 结论

（1）吐哈盆地侏罗系西山窑组煤层主要发育于西山窑组二段和三段，其中西山窑组三段单煤层厚度薄，层数少；西山窑组二段单煤层厚度大、层数多，煤层厚度中心位于台北凹陷的北部地区。西二段是吐哈盆地深层煤岩气勘探的主要层段，以西二段底部稳定分布的厚煤层为煤岩气勘探的主力目的层。
（2）通过煤岩显微组分镜检和煤相判识图，识别出吐哈盆地西二段主力煤层发育干燥森林沼泽相、干燥—较干燥森林沼泽相、潮湿森林沼泽相、较深覆水森林沼泽相和开阔水域沼泽相5种类型的煤相。
（3）结合敏感微量元素所反映的聚煤期古氧化还原、古盐度、古气候和古水深信息，划分出西山窑组主力煤层在不同煤相中微量元素（组合）的分布区间值，通过对元素（组合）值的归一化处理以及赋予不同煤相敏感性元素（组合）值的权重系数，编制出了全盆地的煤岩煤相分布图，指出吐鲁番坳陷主要以开阔水域沼泽相为主，在吉7井区以北存在较深覆水森林沼泽相。
（4）不同煤相煤岩的成烃潜力评价结果显示，干燥森林沼泽相与干燥—较干燥森林沼泽相的煤岩惰质体含量偏高，富氢组分含量偏低，煤岩的生气潜量差；潮湿森林沼泽相镜质体含量较高但是以结构镜质体为主，同时壳质组保存差，整体成烃潜力较差；较深覆水森林沼泽相和开阔水域沼泽相为弱还原—还原的环境，厌氧细菌繁盛，煤岩中氢含量较高，煤岩生气潜量好。较深覆水森林沼泽相和开阔水域沼泽相是吐哈盆地煤岩气勘探的优势煤相。

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